超導磁能存儲(SMES)系統將能量存儲在由超導線圈中的直流電流產生的磁場中，該超導線圈已被低溫冷卻至低于其超導臨界溫度的溫度。一個典型的SMES系統包括三個部分：超導線圈、功率調節系統和低溫冷卻冰箱。超導線圈一旦充電，電流就不會衰減，磁能可以無限儲存。儲存的能量可以通過線圈放電釋放回網絡。功率調節系統使用逆變器/整流器將交流(AC)功率轉換為直流電或將直流電轉換回交流電。逆變器/整流器在每個方向上的能量損失約為2-3%。與其他儲能方法相比，SMES在儲能過程中損失的電量最少。SMES系統效率高；往返效率大于95%。由于制冷的能源需求和超導線材的高成本，SMES目前用于短期儲能。因此，SMES最常致力于改善電能質量。

使用超導磁能存儲而不是其他能量存儲方法有幾個原因。SMES最重要的優點是充放電時間延遲很短。電力幾乎是瞬時可用的，并且可以在短時間內提供非常高的電力輸出。其他能量儲存方法，例如抽水蓄能或壓縮空氣，在將儲存的機械能能量轉換回電能時具有相當大的時間延遲。因此，如果需求是即時的，SMES是一個可行的選擇。另一個優點是功率損失比其他存儲方法少，因為電流幾乎沒有遇到阻力。此外，SMES中的主要部件是靜止的，因此具有很高的可靠性。

有幾個小型SMES單元可用于商業用途和幾個較大的試驗臺項目。數個1MW·h裝置用于世界各地裝置中的電能質量控制，特別是為需要超清潔電力的制造工廠提供電能質量，例如微芯片制造設施。這些設施還被用于在配電系統中提供電網穩定性。SMES也用于公用事業應用。在威斯康星州北部，部署了一系列分布式SMES單元以增強傳輸回路的穩定性。由于造紙廠的運行，輸電線路會承受較大的突然負載變化，可能會出現不受控制的波動和電壓崩潰。工程測試模型是一個容量約為20MW·h的大型SMES，能夠提供40MW30分鐘的電力或10MW2小時的電力。

一個SMES系統通常由四個部分組成超導磁體及支撐結構該系統包括超導線圈、磁鐵和線圈保護裝置。在這里，通過將線圈與更大的系統斷開連接，然后使用來自磁鐵的電磁感應在超導線圈中感應出電流來存儲能量。然后該線圈保持電流，直到線圈重新連接到更大的系統，之后線圈部分或完全放電。制冷系統制冷系統通過將盤管冷卻到工作溫度來保持盤管的超導狀態。電源調節系統電源調節系統通常包含一個電源轉換系統，可將直流電轉換為交流電，反之亦然。控制系統控制系統監控電網的電力需求，并控制進出線圈的功率流。控制系統還通過控制冰箱來管理SMES線圈的狀態。

由于法拉第感應定律，任何能及時產生變化磁場的導線環也會產生電場。這個過程通過電動勢(EMF)從電線中取出能量。EMF定義為單位電荷經過一輪導電回路后對它所做的電磁功。現在可以將能量視為存儲在電場中。這個過程使用來自電線的能量，其功率等于電勢乘以總電荷除以時間。其中?是電壓或EMF。通過定義功率，我們可以計算產生這種電場所需的功。由于能量守恒，這個功也必須等于存儲在場中的能量。

除了電線的特性之外，線圈本身的配置也是機械工程方面的一個重要問題。有三個因素會影響線圈的設計和形狀——它們是：較低的應變容限、冷卻時的熱收縮和帶電線圈中的洛倫茲力。其中，應變容限至關重要，不是因為任何電效應，而是因為它決定了需要多少結構材料才能防止SMES斷裂。對于小型SMES系統，選擇0.3%應變容差的樂觀值。環形幾何形狀有助于減少外部磁力，從而減小所需機械支撐的尺寸。此外，由于外部磁場低，環形SMES可以位于公用事業或客戶負載附近。對于小型SMES，通常使用螺線管，因為它們易于繞線且無需預壓縮。在環形SMES中，線圈始終受到外箍和兩個圓盤的壓縮，其中一個在頂部，另一個在底部，以避免破損。目前，小型SMES幾乎不需要環形幾何形狀，但隨著尺寸的增加，機械力變得更加重要，因此需要環形線圈。較舊的大型SMES概念通常具有埋在地下的直徑約100m的低縱橫比螺線管。尺寸極低的是微型SMES螺線管的概念，其儲能范圍接近1MJ。

在穩態條件和超導狀態下，線圈電阻可以忽略不計。然而，保持超導體冷卻所需的冰箱需要電力，在評估SMES作為能量存儲裝置的效率時，必須考慮這種制冷能量。盡管高溫超導體(HTS)具有較高的臨界溫度，但磁通晶格熔化發生在溫度低于該臨界溫度的中等磁場中。冷卻系統必須消除的熱負荷包括通過支撐系統的傳導、從較熱表面到較冷表面的輻射、導體中的交流損耗（在充電和放電期間）以及連接的冷-熱電源線的損耗冷盤管連接到功率調節系統。通過適當設計熱表面，可以xxx限度地減少傳導和輻射損耗。良好的引線設計可將引線損耗降至最低。交流損耗取決于導體的設計、設備的占空比和額定功率。對于77K、20K和4.2K的基線溫度，HTSC和低溫超導體(LTSC)環形線圈的制冷要求依次增加。此處的制冷要求被定義為運行制冷系統的電力。隨著存儲的能量增加100倍，制冷成本僅增加20倍。此外，與LTSC系統相比，HTSC系統在制冷方面的節省更大（60%至70%）。

HTSC或LTSC系統是否更經濟取決于其他主要組成部分決定SMES的成本：由超導體和銅穩定劑組成的導體以及冷支架本身就是主要成本。必須以設備的整體效率和成本來判斷。與大線圈成本相比，其他組件（例如真空容器絕緣）已被證明是一小部分。用于環形線圈的導體、結構和致冷器的綜合成本主要由超導體的成本決定。螺線管線圈也有同樣的趨勢。HTSC線圈的成本比LTSC線圈高2到4倍。由于制冷要求較低，我們預計HTSC的成本會更便宜，但事實并非如此。為了深入了解成本，請考慮按HTSC和LTSC線圈的主要組件分解，對應于三個典型的存儲能量水平，2、20和200MW·h。導體成本在所有HTSC案例的三個成本中占主導地位，并且在小尺寸時尤為重要。主要原因在于LTSC和HTSC材料的電流密度比較。HTSC線的臨界電流一般在工作磁場中低于LTSC線，約為5至10特斯拉（T）。假設電線成本按重量計算相同。由于HTSC線的(Jc)值低于LTSC線，因此需要更多的線來產生相同的電感。因此，線材的成本遠高于LTSC線材。此外，隨著SMES規模從2增加到20到200MW·h，LTSC導體成本也每一步增加約10倍。HTSC或LTSC的結構成本隨著每一步從2到20到200MW·h均勻上升（10倍）。但HTSC結構成本較高，因為HTSC的應變容限（陶瓷不能承受太大的拉伸載荷）小于LTSC，如Nb3Ti或Nb3Sn，需要更多的結構材料。因此，在非常大的情況下，HTSC成本不能通過簡單地在較高磁場下減小線圈尺寸來抵消。值得注意的是，在所有情況下，冰箱的成本都非常低，以至于與減少高溫下的制冷需求相關的節省百分比非常少。這意味著如果HTSC，例如BSCCO，在低溫下工作得更好，比如20K，它肯定會在那里運行。對于非常小的中小企業，冰箱成本的降低將產生更顯著的積極影響。顯然，超導線圈的體積隨著存儲的能量而增加。此外，我們可以看到，由于較高的磁場操作，HTSC磁體的LTSC圓環xxx直徑總是小于LTSC。在螺線管線圈的情況下，HTSC線圈的高度或長度也更小，但仍遠高于環形幾何形狀（由于外部磁場低）。峰值磁場的增加導致體積（更高的能量密度）和成本（減少的導體長度）的減少。更小的體積意味著更高的能量密度，并且由于導體長度的減少而降低了成本。峰值磁場有一個最佳值，在這種情況下約為7T。如果場增加超過最佳值，則可以在成本增加最小的情況下進一步減少體積。可以增加場的極限通常不是經濟上的，而是物理上的，它涉及到不可能將環形的內腿靠得更近，并且仍然為緩沖圓柱體留出空間。超導材料是SMES的關鍵問題。超導體開發工作的重點是增加Jc和應變范圍以及降低導線制造成本。

能量密度、效率和高放電率使SMES成為融入現代能源網和綠色能源計劃的有用系統。SMES系統的用途可分為三類：供電系統、控制系統和應急/應急系統。事實FACTS（柔性交流輸電系統）設備是可以安裝在電網中的靜態設備。這些設備用于增強電網的可控性和電力傳輸能力。SMES在FACTS設備中的應用是SMES系統的首次應用。1980年，Bonneville電力局首次安裝了使用FACTS設備實現SMES。該系統利用SMES系統來抑制低頻，這有助于穩定電網。2000年，基于SMES的FACTS系統被引入Winston北部電網的關鍵點，以提高電網的穩定性。負載均衡電力的使用需要提供恒定功率的穩定能源供應。這種穩定性取決于使用的電量和產生的電量。用電量全天變化，季節也變化。SMES系統可用于在發電量高于需求/負載時儲存能量，并在負載高于發電量時釋放電力。從而補償功率波動。使用這些系統可以使傳統發電機組以恒定輸出運行，從而更加高效和方便。但是，當供需之間的權力不平衡長期持續時，中小企業可能會徹底放電。負載頻率控制當負載不滿足發電輸出功率時，由于負載擾動，會導致負載大于發電機的額定輸出功率。例如，當風力發電機由于突然沒有風而無法旋轉時，就會發生這種情況。這種負載擾動會導致負載頻率控制問題。這個問題可以在基于DFIG的風力發電機中被放大。這種負載差異可以通過SMES系統的功率輸出來補償，當發電量大于負載時，SMES系統會儲存能量。與現代控制系統相比，基于SMES的負載頻率控制系統具有響應速度快的優勢。不間斷電源不間斷電源(UPS)用于通過提供連續電源來防止電涌和電力不足。這種補償是通過從故障電源切換到SMES系統來完成的，SMES系統幾乎可以立即提供必要的電力以繼續基本系統的運行。基于SMES的UPS在需要保持在某些關鍵負載的系統中最有用。斷路器重合閘當斷路器兩端的功率角差太大時，保護繼電器會??阻止斷路器重合閘。在這些情況下，可以使用SMES系統來減少斷路器上的功率角差。從而允許斷路器重合閘。這些系統允許在主要輸電線路中斷后快速恢復系統電源。旋轉儲備旋轉備用是通過增加連接到電網的系統的發電量可獲得的額外發電量。該容量由系統運營商保留，用于補償電網中斷。由于SMES系統的快速充電時間和快速的交流電到直流電轉換過程，這些系統可以在輸電線路的主要電網停止服務時用作旋轉備用。SFCL超導故障電流限制器(SFCL)用于限制電網故障下的電流。在該系統中，當檢測到網格線中的故障時，超導體會失超（溫度升高）。通過淬滅超導體，電阻上升，電流被轉移到其他電網線。這是在不中斷較大網格的情況下完成的。一旦故障被清除，SFCL溫度就會降低，并且對于較大的電網變得不可見。電磁發射器電磁發射器是一種電動射彈武器，它使用磁場將射彈加速到非常高的速度。這些發射器需要高功率脈沖源才能工作。這些發射器可以利用SMES系統的快速釋放能力和高功率密度來實現。

SMES系統組件的未來發展可能使它們更適用于其他應用。最值得注意的是超導體的發展。凝聚態物理學家一直在尋找具有更高臨界溫度的超導體。2013年，一組研究人員甚至發現了一種在室溫下工作的超導體。這在皮秒內是穩定的，這使得它不切實際，但仍然證明了室溫超導是可能的。需要冷藏是有代價的。通過使用室溫超導體或什至接近室溫的超導體來消除該成本將使SMES系統更可行和更有效。超導體的臨界溫度也與臨界電流有很強的相關性。具有高臨界溫度的物質也將具有高臨界電流。這種更高的臨界電流將成倍地提高能量存儲。這將xxx增加SMES系統的使用。

當前SMES系統的能量含量通常很小。增加存儲在SMES中的能量的方法通常求助于大型存儲單元。與其他超導應用一樣，低溫技術是必要的。通常需要堅固的機械結構來包含由磁鐵線圈產生的非常大的洛倫茲力。SMES的主要成本是超導體，其次是冷卻系統和機械結構的其余部分。需要機械支撐，因為作用在線圈上的強磁場會產生很大的洛倫茲力，而線圈會在較大的結構上產生強磁場。尺寸要達到商業上有用的存儲水平，大約5GW·h(18TJ)，SMES安裝需要大約0.5英里(800m)的環路。這傳統上被描繪為一個圓形，但實際上它可能更像一個圓角矩形。在任何一種情況下，都需要使用大量土地來容納該裝置。制造業圍繞SMES存在兩個制造問題。首先是制造適合承載電流的散裝電纜。迄今為止發現的HTSC超導材料是相對精密的陶瓷，因此很難使用已建立的技術來拉長超導線材。許多研究都集中在層沉積技術上，將材料薄膜應用到穩定的基板上，但這目前僅適用于小型電路。基礎設施第二個問題是安裝所需的基礎設施。在發現室溫超導體之前，必須將0.5英里（800米）長的導線圈裝在液氮真空瓶中。這反過來又需要穩定的支撐，最常見的設想是掩埋裝置。臨界磁場超過一定的場強，稱為臨界場，超導狀態被破壞。這意味著超導材料存在xxx充電率，因為磁場的大小決定了超導線圈捕獲的通量。臨界電流一般來說，電力系統希望最大化它們能夠處理的電流。這使得由于系統效率低下而導致的任何損失都相對微不足道。不幸的是，由于安培定律，大電流可能會產生大于臨界場的磁場。因此，目前的材料難以承載足夠的電流以使商業存儲設施在經濟上可行。該技術開始時的幾個問題阻礙了其擴散：

• 維持工作溫度的昂貴制冷裝置和高電力成本
• 使用普通導體的適當技術的存在和持續發展

這些仍然給超導應用帶來問題，但隨著時間的推移正在改善。在超導材料的性能方面取得了進展。此外，制冷系統的可靠性和效率顯著提高。預冷時間長目前，將線圈從室溫冷卻到其工作溫度需要四個月的時間。這也意味著SMES在維護后和運行故障后重新啟動時需要同樣長的時間才能恢復到運行溫度。保護由于儲存了大量的能量，因此需要采取一定的措施來保護線圈在線圈故障的情況下免受損壞。在線圈故障的情況下快速釋放能量可能會損壞周圍的系統。一些概念設計建議將超導電纜結合到設計中，以在線圈故障后吸收能量為目標。該系統還需要保持良好的電氣隔離，以防止能量損失。